Im globalen Wettlauf um kleinere Prozessknoten, höhere Rechenleistung, Beschleunigung der künstlichen Intelligenz und fortschrittliche Konnektivität gewinnt eine Materialkategorie zunehmend an strategischer Bedeutung: Seltene Erden. Obwohl sie für den Endverbraucher oft unsichtbar sind, sind Seltene Erden in fast jeder kritischen Phase der Halbleiterherstellung tief eingebettet – von der Lithografie und der Planarisierung der Wafer bis hin zum Plasmaätzen, der Herstellung von HF-Bauteilen, der magnetischen Speicherung und der Silizium-Photonik.
Da Europa sein Halbleiter-Ökosystem im Rahmen des EU-Chip-Gesetzes stärkt und Deutschland sich weiterhin als führendes Land bei Halbleiterausrüstungen und fortschrittlicher Werkstofftechnik positioniert, geht die Bedeutung der Seltenen Erden über die technische Leistung hinaus. Sie sind zu einer Frage der industriellen Widerstandsfähigkeit und der technologischen Souveränität geworden.
In diesem Artikel wird untersucht, wie Seltene Erden die Zukunft der Halbleiterherstellung prägen und warum sie auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar sein werden.
I. Seltene Erden in modernen Lithografiesystemen
Lithographie ist das Rückgrat der Halbleiterherstellung. Die Fähigkeit, nanoskalige Strukturen auf Siliziumwafern zu erzeugen, bestimmt die Transistordichte, die Leistungseffizienz und die Gesamtleistung des Chips. Während die Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV) auf plasmagestützte Lichtquellen angewiesen ist, spielen Seltene Erden eine wichtige Rolle in Laser-Subsystemen und optischen Schutzkomponenten.
Eines der am häufigsten verwendeten Lasermaterialien ist Neodym-dotiertes yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG). In dieser Kristallstruktur fungieren Neodym-Ionen (Nd³⁺) – ein Element der seltenen Erden – als aktives Lasermedium. Nd:YAG-Systeme erzeugen 1,064 μm infrarotes Laserlicht, das auf 532 nm frequenzverdoppelt oder in 355 nm ultraviolettes Licht umgewandelt werden kann. Diese Wellenlängen sind für die Präzisionsmesstechnik, die Waferausrichtung und die Inspektionssysteme in modernen Fertigungsanlagen von entscheidender Bedeutung.
Ohne Seltene Erden wie Neodym und Yttrium wären stabile und leistungsstarke Festkörperlaser mit der für die Halbleiterfertigung erforderlichen Leistung nicht möglich.
Ein weiteres Beispiel sind Materialien auf Terbiumbasis. Terbium-Gallium-Granat-Kristalle (TGG) werden in optischen Isolatoren verwendet, um Hochleistungslaserquellen vor Rückreflexionen zu schützen. Diese Komponenten machen sich den starken magneto-optischen Faraday-Effekt von Terbium-Ionen zunutze und gewährleisten eine einseitige Lichtübertragung, wodurch teure Lasergeräte in EUV- und DUV-Lithografiesystemen geschützt werden.
Die Forschung zu thuliumdotierten Lasersystemen legt nahe, dass Seltene Erden die Effizienz von EUV-Quellen weiter verbessern könnten. Ein höherer Umwandlungswirkungsgrad könnte die Lithografiekosten, die nach wie vor zu den kapitalintensivsten Aspekten der Halbleiterproduktion gehören, erheblich senken.
II. Ceriumoxid und Seltene Erden in CMP-Prozessen
Da die Transistorstrukturen immer komplexer werden, ist die Erzielung ultraflacher Waferoberflächen unerlässlich. Die chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) gewährleistet die Gleichmäßigkeit der Schichten und die Glätte der Oberfläche im Nanometerbereich.
Unter allen in der Halbleiterherstellung verwendeten Seltenen Erden ceriumoxid (CeO₂) eine besonders wichtige Rolle. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schleifmitteln wie Siliziumdioxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist Ceroxid beim Polieren sowohl an chemischen als auch an mechanischen Wechselwirkungen beteiligt.
In alkalischen CMP-Schlämmen reagiert CeO₂ chemisch mit Siliziumdioxid und bildet Cer-Silikat-Verbindungen, die leicht entfernt werden können. Dieser Mechanismus mit doppelter Wirkung erhöht die Abtragsrate und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Selektivität. Es poliert effektiv Oxidschichten, ohne angrenzende Materialien wie Siliziumnitrid wesentlich anzugreifen.
Aufgrund dieser Kombination aus Effizienz und Selektivität sind Seltene Erden auf Cer-Basis zum Industriestandard für STI-Prozesse (shallow trench isolation) und andere Oxid-Planarisierungsschritte geworden.
Da die Bauteilgeometrien weiter schrumpfen, wird die Nachfrage nach hochreinen, streng kontrollierten Ceroxidpartikeln weiter steigen, was die strategische Bedeutung von Seltenerdmaterialien in fortgeschrittenen Knotenpunkten noch verstärkt.
III. Seltene Erden auf Yttriumbasis in Plasmaätzanlagen
Plasmaätzsysteme arbeiten unter extrem aggressiven chemischen Bedingungen. Plasmen auf Fluor- und Chlorbasis werden zum Ätzen dielektrischer Schichten und zur Strukturierung komplizierter Bauteilstrukturen verwendet. Diese reaktiven Spezies können jedoch auch die internen Kammerkomponenten beschädigen.
RE-Materialien auf Yttriumbasis bieten einen entscheidenden Schutz. Keramische Beschichtungen aus Yttriumoxid (Y₂O₃) und Yttriumfluorid (YF₃) werden in großem Umfang auf die Komponenten der Ätzkammern aufgebracht. In fluorreichen Umgebungen bildet Y₂O₃ eine dichte YF₃-Schutzschicht, die einer weiteren chemischen Erosion widersteht.
Diese Seltenen Erden verlängern die Lebensdauer der Bauteile, verringern die Verunreinigung durch Partikel und verbessern die Prozessstabilität. Obwohl die Menge an Yttrium, die in einem einzigen Werkzeug verwendet wird, relativ gering ist, schafft die riesige weltweit installierte Basis von Plasmaätzsystemen eine anhaltende und strategische Nachfrage nach hochreinen Yttriumverbindungen.
In der modernen Fertigung wirken sich Betriebszeit und Kontaminationskontrolle direkt auf den Ertrag aus. Daher sind Seltene Erden nicht einfach nur optionale Leistungsverbesserer – sie sind ein wesentlicher Faktor für Zuverlässigkeit und Rentabilität.
IV. Seltene Erden in 5G RF-Geräten und aufstrebender Elektronik
Im Zuge der Entwicklung von Standards für die drahtlose Kommunikation tragen Seltene Erden zur Verbesserung der Leistung von RF-Geräten bei.
Ein herausragendes Beispiel sind dünne Schichten aus Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN). Scandium, das zu den Seltenen Erden zählt, verbessert die piezoelektrischen Eigenschaften von Aluminiumnitrid erheblich, wenn es in dessen Kristallgitter eingebaut wird. Die daraus resultierenden AlScN-Filme werden in BAW-Filtern (Bulk Acoustic Wave) verwendet, die wichtige Komponenten in 5G RF Front-End-Modulen sind.
Höhere piezoelektrische Koeffizienten führen zu einer verbesserten Filterbandbreite und Signalleistung und ermöglichen eine schnellere und zuverlässigere drahtlose Kommunikation. Mit der Ausweitung der 5G- und 6G-Forschung wird erwartet, dass Seltene Erden auf Scandiumbasis eine noch größere Rolle spielen werden.
Darüber hinaus tragen Seltene Erden wie Neodym und Praseodym zu fortschrittlichen magnetischen Dünnschichten bei, die in Datenspeichertechnologien verwendet werden. Ihre einzigartigen elektronischen Konfigurationen verbessern die magnetische Anisotropie und Stabilität und tragen so zur weiteren Verbesserung der Speicherdichte bei.
V. Silizium-Photonik und lumineszierende Seltenerdmaterialien
Eine der vielversprechendsten langfristigen Anwendungen von RE-Materialien liegt in der Silizium-Photonik. Die Integration optischer Funktionen direkt in Siliziumchips könnte die Effizienz der Datenübertragung in Rechenzentren, KI-Prozessoren und Hochleistungsrechnersystemen drastisch verbessern.
Europiumoxid (Eu₂O₃) dünnschichten weisen aufgrund der charakteristischen 4f-Elektronenübergänge der Europium-Ionen starke elektrolumineszente Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu vielen konventionellen Halbleiter-Emittern weisen Lumineszenzmaterialien aus Seltenen Erden oft stabile Emissionsmerkmale über einen breiten Konzentrationsbereich auf.
Durch die Integration von auf Europium basierenden Seltenerdmaterialien auf Siliziumsubstraten wollen die Forscher CMOS-kompatible Lichtquellen entwickeln. Dieser Ansatz könnte die Kompatibilitätsprobleme überwinden, die mit traditionellen III-V-Halbleitern wie GaN verbunden sind.
Im Erfolgsfall könnten Seltene Erden vollständig integrierte optische Verbindungen ermöglichen, die die Chip-Architektur und die Energieeffizienz grundlegend verändern würden.
Widerstandsfähigkeit der Lieferkette und strategische Überlegungen
Die zunehmende Abhängigkeit von Seltenen Erden in der Halbleiterherstellung wirft ein Schlaglicht auf ein breiteres geopolitisches und wirtschaftliches Problem: die Sicherheit der Lieferkette.
Hochreine Seltenerdoxide, Laserkristalle, Keramikbeschichtungen und Sputtertargets erfordern fortschrittliche Raffinations- und Verarbeitungsmöglichkeiten. Die Gewährleistung eines stabilen Zugangs zu diesen Materialien ist entscheidend für die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit der Halbleiterindustrie.
Für Europa sind die Stärkung der heimischen Verarbeitung von Seltenen Erden, Investitionen in Recycling-Technologien und die Diversifizierung der Beschaffungsstrategien wichtige Schritte auf dem Weg zur industriellen Widerstandsfähigkeit. Seltene Erden sind nicht einfach nur ein Rohstoff, sondern ein strategischer Rohstoff für digitale Infrastrukturen, Verteidigungssysteme, Technologien für erneuerbare Energien und fortschrittliche Elektronik.
Schlussfolgerung: RE-Materialien als verborgener Motor des Halbleiterfortschritts
Von Lithographielasern und CMP-Polieren bis hin zu plasmabeständigen Beschichtungen, HF-Filtern, magnetischer Speicherung und Silizium-Photonik sind Seltene Erden tief in die Wertschöpfungskette der Halbleiterindustrie eingebettet.
Da sich die Transistorarchitekturen weiterentwickeln und die Leistungsanforderungen steigen, wird die Nachfrage nach spezialisierten Seltenen Erden weiter zunehmen. Ihre einzigartigen optischen, magnetischen, katalytischen und elektronischen Eigenschaften können nicht einfach ersetzt werden.
Im kommenden Jahrzehnt können Durchbrüche in der Wissenschaft der Seltenen Erden die Geschwindigkeit der Halbleiterinnovation direkt beeinflussen. Für Hersteller, Forscher und politische Entscheidungsträger gleichermaßen ist die Anerkennung der grundlegenden Rolle der Seltenen Erden von entscheidender Bedeutung für die Gestaltung einer widerstandsfähigen und wettbewerbsfähigen Halbleiterzukunft.